基于LabVIEW的虚拟示波器的设计与实现.rar

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    基于 LabVIEW 虚拟 示波器 设计 实现
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    科技学院 2010 届本科毕业论文基于 LabVIEW 的虚拟示波器及其软件设计与实现学科专业:06 电子信息工程 指导教师: 余军 学生姓名: 姜敏敏 学生学号: 062004100277 中国﹒贵州﹒贵阳2010 年 5 月科技学院毕业论文(设计) 第 页目录目录 .......................................................I摘要 .....................................................IIIAbstract..................................................IV第一章 绪论 ...............................................11.1 引言 ...................................................11.2 课题现状 ...............................................11.3 课题的研究目的和意义 ...................................21.4 虚拟仪器采用的技术路线 .................................31.5 本文结构 ...............................................3第二章 主要开发软件简介 ...................................42.1 Proteus 的简介 .........................................42.2 Keil uV3 简介 ..........................................62.3 LabView 简介 ...........................................73.1 系统软、硬件的设计要求 .................................93.2 系统软、硬件设计 ........................................9第四章 详细设计与系统实现 ................................124.1 硬件电路的具体设计 ....................................124.1.1.采集被测量数据的基本硬件电路 ..................................................................124.1.2 硬件电路的连接 ..............................................................................................134.3 Keil 与 Proteus 联机调试 ................................164.4 虚拟示波器上位机软件系统的实现 .........................17科技学院毕业论文(设计) 第 I 页4.4.1 创建虚拟示波器的前面板 .............................................................................174.5 虚拟示波器仿真实现 .....................................194.6 虚拟示波器实物调试 .....................................19第五章 设计总结 ...........................................21参考文献 ..................................................22附录 1 ....................................................23附录 2 ....................................................25科技学院毕业论文(设计) 第 II 页基于 LabView 的虚拟示波器及其软件设计与实现摘要虚拟仪器的出现使人类的测试技术进入了新的发展纪元。数字示波器是科学研究和实验室经常使用的一种台式仪器,目前这类仪器加工复杂,价格昂贵。虚拟示波器是电子测量技术与计算机技术深层次结合的、具有很好发展前景的新一类电子仪器。用虚拟示波器技术只需配置必要的数据采集硬件,就可以实现示波器的功能,为低成本下构建数据采集系统提供了一种思路 [1]。结合计算机模块化程序设计方法,应用LabView 强大的图形编程功能完成虚拟示波器的上位机软件和利用 keil 的进行虚拟示波器的下位机软件的编译和仿真调试,应用 Proteus 进行硬件器件的连接、电路分析和实物仿真,并在分别建立系统软、硬件之后在虚拟环境中实现软、硬件的联系、仿真和上下位机的通信。基于 LabView 设计的虚拟示波器,硬件系统利用 51 单片机和 A/D转换器进行模拟数据采集、数模转换,完成下位机数据传送。利用单片机和 PC 机之间的串行通信,完成上位机的数据传送。基于 LabView 设计实现的虚拟示波器既能进行传统示波器的图形显示,又具有实现简单、界面友好、性能稳定可靠、成本低廉等优点,并在 LabView 环境中实现了与现实中实际示波器相似的功能。 关键字:虚拟仪器,仿真,单片机,数据采集科技学院毕业论文(设计) 第 III页Design and Implementation of the Virtual Oscilloscope and Its Software Based on LabVIEWAbstractThe emergence of virtual instrument technology into human testing a new era of development.Digital oscilloscope is often used scientific research and a laboratory benchtop instruments,such instruments currently processing complex and expensive.Virtual oscilloscope an electronic measuring technology and computer technology, deep integration, has good prospects for development of a new class of electronic devices.Just configure a virtual oscilloscope with the necessary technical data acquisition hardware, you can achieve the functions of the oscilloscope for Constructing a low-cost data acquisition system provides a new method.Modular design combined with computer programs, application LabView graphical programming capabilities to complete a powerful virtual PC oscilloscope software and a virtual oscilloscope using keil the next bit machine software compilation and simulation debugging, application of Proteus hardware devices connected to circuit analysis andphysical simulation, and systems were established in the software and hardware to achieve in a virtual environment after the software and hardware link down computer simulation and communications.LabView-based virtual oscilloscope design, hardware system uses 51 MCU And A / D converter for analog data acquisition, digital-analog conversion, complete the next bit plane data transfer.Use of microcontroller and serial communication between PC, complete the host computer's data transmission.Designed and implemented based on LabView virtual oscilloscope oscilloscopes not only the traditional graphical display, but also has simple, user-friendly, stable and reliable performance, low cost Deng advantages Bing 在 LabView Huan Jing Xian Shi is realized in the Shi Ji oscilloscope with similar functionality.Key words:Virtual Instrument, Simulations, MCU, Data Collection科技学院毕业论文(设计) 第 0 页第一章 绪论1.1 引言在科学技术飞速发展的今天,计算机科学及互联网日渐成熟,其强大的功能已为人们深刻认识,它已经进入人类社会的各个领域并发挥着越来越重要的作用。各行各业的人们无须经过特别的训练就能够使用电脑完成许许多多复杂的工作。示波器是电子信号测量行业最常用仪器之一,主要用来测量并显示被测信号的参数和波形,在科学研究、科学实验及现场检测等许多领域被广泛应用。目前,常用的模拟示波器外型笨重、功能单一,数字示波器虽然有一定的功能扩展,但价格昂贵,而且这些仪器加工工艺复杂、对制造水平要求很高,生产突破有困难。虚拟仪器的出现改变了这一局面,虚拟示波器利用计算机系统强大的数据处理能力,利用软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等,大大突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储的限制,使用户可以方便地对仪器进行维护、扩展和升级,而且虚拟示波器比传统示波器节约了许多成本,具有很高的性价比。虚拟示波器的研究在实验教学方面也有很大的意义,主要表现在: 通用于不同实验室、成本较低; 能提高实验效率;  参数输入简便,结果显示明确,对仪器不会有任何损坏; 实验设备如有更新,只需更新一下软件,可降低高等学校用于实验室建设及实 验设备的投资、维护费用 [1]。本文介绍虚拟示波器的设计,用图形化编程语言LabV IEW实现虚拟示波器的数据采集、波形显示、数字滤波、参数测量、频谱分析、功率谱分析以及数据存储和回放等功能。实验证明,该虚拟示波器可以实现对采样信号的显示、分析、存储等操作并且结果正确、可靠,功能比传统仪器强大。1.2 课题现状随着微电子技术、计算机技术、网络技术和现代测量技术的迅速发展,一种新型科技学院毕业论文(设计) 第 1 页的先进仪器——虚拟仪器称为当前研究的热点。虚拟仪器作为新兴的仪器仪表,其优势在于用户可自行定义仪器的功能和结构等,且构建容易、转换灵活。因此它在各个领域都得到广泛的应用。国内单位和院校都在积极地开展这些方面的研究和开发。虚拟仪器应用程序的开发主要有两种:一种是基于传统的文本语言的软件开发环境;一种是基于图形化语言的软件开发环境 [2]。其中图形化软件开发系统是用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程,界面友好,操作简便,可大大缩短系统开发周期,深受专业人士的青睐。1.3 课题的研究目的和意义在对大规模、集成化、智能化及数字电子仪器需求愈加迫切的形势下,计算机技术、仪器技术和通信技术相结合,产生了具有里程碑意义的新一代仪器——虚拟示波器。虚拟仪器的出现开辟了仪器技术的新纪元,它是多门技术与计算机技术结合的产物,其基本思想逐步代替仪器完成某些功能,如数据的采集、分析、显示和存储等,最终达到取代传统电子仪器的目的。虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器硬件、数据分析处理、软件、通信软件及图行用户界面的有效结合,具有传统仪器所具备的信号采集、信号处理分析、信号输出等功能。其基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口和测试仪器等。虚拟仪器有以下优点 [3]:1.利用了计算机丰富的软件资源。2.基于计算机网络技术和接口技术。虚拟仪器具有方便、灵活的互联能力。因此,利用虚拟仪器技术可方便地构建自动测试系统,实现测量、控制过程的网络化。3.基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点,用户可根据自己的需要,选用不同厂家的标准接口产品,使仪器的开发更为有效,缩短仪器组建、开发时间。4.具有很强的灵活性。虚拟仪器的功能由用户自己定义,这意味着可自由的组合计算机平台、硬件、软件以及各种实现应用系统所需要的附件。这种灵活性在由供应商定义、功能固定、独科技学院毕业论文(设计) 第 2 页立的传统仪器是达不到的。从传统仪器的转变,为用户带来了更多的实际的利益。虚拟示波器的特点不仅推进了以虚拟仪器为基础的界面系统改造,同时也影响了以虚拟仪器为主的图形构造方法的进化。虚拟仪器的出现使仪器发展史上的一场革命,代表着仪器发展的最新方向和潮流,是信息技术的一个重要领域,必将对科学技术的发展和工业生产产生不可估量的影响。 1.4 虚拟仪器采用的技术路线虚拟仪器是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的仪器。硬件技术包括卡式仪器和总线技术,其中总线技术包括计算机总线和仪器总线。软件技术包括虚拟仪器应用软件的开发平台、和仪器驱动程序以及 I/O接口软件。软件的开发平台主要有 Visual C++,Visual Basic,以及 HP公司的 VEE和 NI公司的LabVIEW、Lab Windows/CVI 等可视化开发工具。1.5 本文结构本文通过基于 LabView 的技术对虚拟示波器进行设计和实现。第一章:绪论(本章阐述了课题的背景、课题来源和研究意义,分析了虚拟仪器发展的趋势和优势,进一步说明虚拟示波器在今后应用中的必要性)第二章:主要软件(本章具体分析了系统设计所需要的各种主要软件,包括应用于系统硬、软件仿真的 Proteus、Keil,和虚拟应用软件 LabView。 )第三章 系统总体设计(分析了虚拟仪器的应用需求,设计了系统的硬件、软件系统,并根据需求对系统功能模块进行了划分和细化。 )第四章 详细设计与系统实现(根据第四章的设计结果利用 Proteus 和 Keil 进行了具体的应用程序设计及仿真调试,在 LabView 环境下完成虚拟示波器的实现)第五章 设计总结(总结虚拟示波器系统设计体会和编程体会,并指出了系统设计中的不足和改进的方向。 )科技学院毕业论文(设计) 第 3 页第二章 主要开发软件简介2.1 Proteus 的简介Proteus 软件是一款在国内开始广泛流行的 EDA 软件,该软件具有模拟电路仿真,数字电路仿真,单片机及外围电路组成的系统仿真,RS-232 动态仿真,12C 调试器、SPI 调试器、键盘和 LCD 系统的仿真,以及各种虚拟仪器,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。该软件目前支持的单片机类型有:68000 系列、8051 系列、AVR 系列、PIC12 系列、 PIC16 系列、 PIC18 系列、Z80 系列、 HC11 系列、ARM 以及各种外围芯片。该软件还支持大量的存储器和外围芯片,总之,该软件是一款集单片机和 SPICE分析于一身的仿真软件,功能极其强大 [3]。Proteus 主要有两大部分组成:1.ISIS——原理图设计、仿真系统。它主要用于电路原理图的设计以及互式仿真。2.ARES——印刷电路板设计系统。它主要用于印刷电路板的设计,产生最终的PCB 文件。 虚拟系统模型 VSM(Virtual Sys tem Modelling )Proteus 的仿真功能是基于虚拟系统模型(VSM, VirtualSys tem Modelling ) 来实现的, 在物理原型调试之前, 将Spice电路模型、动态外部设备以及微处理器的仿真结合起来, 用于仿真单片机应用系统的一种设计方法。Proteus VSM是一个完整的嵌人式系统软件、硬件设计仿真平台, 它包括原理图系统 ISIS、带扩展的Prospice 混合模型仿真器、动态器件库、高级图形分析模块和处理器虚拟系统。 智能原理图输入系统ISISISIS 是Proteus S 系统的设计中心和易用的功能强大的编辑工具 , 它提供给用户图形外观包括线宽、填充类型、字符等的全部控制, 画完图后可以以图形文件输出, 或拷贝到剪切板以便其他文件使用。 激励源Proteus 在ACTIVE 库中还提供了象直流信号发生器、正弦信号发生器、单频率调频信号发生器、数字单边沿发生器、数字时钟信号发生器等。它允许用户对其参数进行设置。可用于电路测试。 虚拟仪器科技学院毕业论文(设计) 第 4 页Proteus 提供了大量的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪、定时/计数器、信号发生器、虚拟终端以及电压电流表等, 这些仪器在仿真单片机和电路时, 能实时观测到信号的变化, 对电路的定性分析十分有利。 单片机及外围电路实时协同仿真Proteus 最重要的特点是它能够把用户编写的应用软件作用在微处理器上并和连接在该处理器的外围模拟器件及数字器件协同仿真, 就像在真正的单片机应用系统的硬件平台上执行目标代码 [3]。它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能,例:元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。Proteus 除了具有和其他 EDA 工具一样的原理图设计、PCB 自动生成及电路仿真的功能外,最大特点是 Proteus VSM(Virtual System Modelling)实现了混合模式的SPICE 电路仿真,它将虚拟仪器、高级图表仿真、微处理器仿真器、第三方的编译器和调试器等有机会结合起来,在世界范围内第一次实现了硬件物理模型搭建成功之前,即可在计算机上完成原理设计、电路分析与仿真、处理器代码调试及实时仿真、系统测试,以及功能验证。 ISIS 提供了针对 Proteus VSM 的编辑环境,是进行交互仿真的基础,其主要特点如下 [3]: 自动布线和连接点放置; 强大的元件选择工具和属性编辑工具; 完善的总线支持; 元器件清单和电气规则检查; 适合主流 PCB 设计工具的网络表输出; 支持参数化子电路元件值的层次化设计; 自动标注元件标号功能; ASCⅡ数据输入功能; 管理每个项目的源代码和目标代码; 支持图表操作以进行传统的时域、频域仿真。
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